CNRS EDITIONS

Objets mathématiques

Préface de

CÉDRIC VILLANI & JEAN-PHILIPPE UZAN

Institut Henri Poincaré

Présentation de l’éditeur

Le besoin de voir les constructions imaginées par l’esprit a précédé les premières figures tracées par les géomètres de l’Antiquité.

Si le besoin de toucher a amené très tôt la production de modèlesphysiques d’objets abstraits, la réalisation pratique s’est avérée délicate en l’absence d’une théorie géométrique venant clarifier et unifier une multitude de méthodes empiriques utilisées jusqu’alors par les architectes, les charpentiers, les tailleurs de pierre et même les artistes. Cette théorie, c’est la géométrie descriptive.

C’est dans cet esprit que sont fabriqués à Paris, dès la fin du xixe siècle, des modèles en plâtre destinés à l’enseignement du dessin d’art, du dessin industriel, du dessin d’architecture, du dessin géométrique et en définitive, de la géométrie tout court.

La collection de modèles de l’Institut Henri Poincaré, forte d’environ 600 modèles, et qui fascina de nombreux artistes, comme Man Ray, s’est construite sur un siècle et demi. Relater quelques traits saillants de cette entreprise scientifique, pédagogique et culturelle, étudier certains de ses modèles les plus emblématiques, observer ce que l’informatique et l’impression 3D ont apporté à ces questions, se demander comment l’on peut représenter dans notre univers à 3 dimensions des objets mathématiques qui en comportent 4… tel est le but de cet ouvrage, superbement illustré.

Objets mathématiques

Préface de

CÉDRIC VILLANI & JEAN-PHILIPPE UZAN

CNRS EDITIONS

15, rue Malebranche – 75005 Paris

Institut Henri Poincaré

Maquette et mise en page : Sylvain Collet

© CNRS Éditions, 2017ISBN : 978-2-271-11745-8

Cet ouvrage collectif a été coordonné par la Bibliothèque de l’IHP. Nous remercions l’ensemble des amis et des partenaires de l’IHP qui ont contribué à sa réalisation. Il a bénéficié du soutien des Annales de l’Institut Henri Poincaré.

À la mémoire de Jean Brette.

SommairePréface. Des objets à la marge

Cédric Villani et Jean-Philippe Uzan

La collectionFrançois Apéry

Des fabriques de modèles et de mathématiquesFrédéric Brechenmacher

À propos de quelques surfaces quartiques spéciales et leur découverte

David E. Rowe

Courbure constanteRoger Mansuy

Des droites et des surfacesFrançois Lê

Des nombres complexes… mais pas compliquésAurélien Alvarez

Modèles et dessins en géométrie à quatre dimensions

Irène Polo Blanco

Retourner la sphère, finalement ce n'est pas si cherFrançois Apéry

Les coniques et le mouvement des planètesDenis Savoie

De Pythagore à Kepler, un voyage polyédriqueChristine Dezarnaud Dandine

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L’incroyable pouvoir de l’inspiration, de l’intuition et de l’interaction

Andreas Daniel Matt

Pavages effectivement conformes Saul Schleimer et Henry Segerman

La préservation d’objets scientifiques devenus œuvre d’art

Frédérique Vincent

Man Ray à l’Institut Henri Poincaré : des objets mathématiques aux équations shakespeariennes

Edouard Sebline et Andrew Strauss

Les surfaces réglées, éléments constitutifs des sculptures d’Antoine Pevsner et de Naoum Gabo

Eva Migirdicyan

Blowing the ruled. Souffler sur les surfaces régléesAna Rewakowicz

La famile SchoenfliesRaphaël Zarka

Terra BullaJean-Marc Chomaz

Les auteurs

Crédits photographiques

Les modèles de l'IHP s'exposent

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Des objets à la marge

Préface

Celui ou celle qui passe la porte de la Bibliothèque de l’Institut Henri Poincaré pour la première fois, que ce soit par nécessité ou par hasard, pour découvrir une exposition ou tout simplement satisfaire sa curiosité, est toujours saisi par les vitrines qui hébergent d’étranges sculptures abstraites — ces mêmes sculptures qui donnèrent quelques frissons aux artistes surréalistes il y a quatre-vingts ans. L’usage a voulu qu’on les nomme modèles mathématiques. Faits de bois, de plâtre, de métal ou de fils tendus, ils exhibent toute une variété de formes et de textures.

Pourquoi ces sculptures tangibles au cœur d’un institut spécialisé dans l’abs-trait ? À dire la vérité, s’il existe quelques adorateurs de ces êtres inanimés, la grande majorité des habitués ont apprivoisé leur présence sans être capables de les décrire. Leur facture, et la calligraphie de leurs étiquettes, indiquent que ces objets datent principalement de la fin du xixe siècle ou du début du xxe siècle. À cette époque, les développements de la géométrie descriptive, visant à représen-ter les figures dans l’espace et utilisée dans le dessin d’architecture ou le dessin industriel, étaient l’une des motivations de leur confection. François Apéry nous invite à suivre l’histoire de ce trésor de plus de 600 modèles, depuis la création du cabinet de mathématique de la Sorbonne aux dernières acquisitions, comme celle du Gömböc, un solide découvert il y a moins de dix ans en Hongrie.

Avec le temps, l’intérêt mathématique de la collection s’est doublé d’un intérêt patrimonial, comme celui des œuvres d’un musée. Par exemple, la col-lection héberge un ensemble unique de modèles construits sous l’impulsion de Joseph Caron, inspiré par Gaston Darboux, immense mathématicien dont un de nos amphithéâtres porte le nom.

Cédric VillanietJean-PhilippeUzan

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« À quoi ça sert ? » Question classique au sujet de la mathématique, et qui se pose bien entendu pour ces modèles aussi. Frédéric Brechenmacher analyse leur rôle dans l’enseignement et dans un débat sur l’existence de certaines surfaces. Suffit-il de donner une équation pour qu’une surface existe, ou doit-on être ca-pable de la construire matériellement ? Ce débat mathématique touche aux fon-dements de la géométrie, et fait écho à la discussion sur la structure du Système solaire, qui avait animé l’astronomie pendant vingt siècles jusqu’à Copernic.

« Quelle est l’équation de cette surface ? » Autre question régulièrement enten-due dans la Bibliothèque. Il faut parfois beaucoup de travail pour obtenir l’équa-tion ; et la définition semble même parfois tenir de la devinette ou de la plaisan-terie : « Surface normale aux droites dont trois points de distances constantes se meuvent dans trois plans rectangulaires. » Juste un exemple parmi des centaines !

Les modèles tissent un lien entre diverses représentations d’une même struc-ture. Nous avons tous tracé un cercle avec un compas à l’école, nous apprenons plus tard que ce cercle est le lieu des points équidistants d’un point donné. Puis on lui associe une équation, x2 + y2 = R2 pour un cercle de rayon R. Le cercle est une figure, une propriété géométrique, une équation… et bien d’autres choses. Cette multiplicité d’images qui se superposent est nécessaire en recherche. Chaque chercheur a dans son cerveau des représentations d’objets et de théories abstraites, il leur associe des images mentales personnelles qui se laissent ma-nipuler comme des objets réels et servent l’intuition. Le savoir doit être incarné pour être vivant et c’est souvent la confrontation de « façons de voir les choses » qui sera la voie la plus féconde pour « craquer » un problème. Les modèles ont joué ainsi un rôle important dans cette transmission, objets d’enseignement ca-pables de rendre sensibles et sensoriels des concepts abstraits.

Ces objets se tiennent à la marge, entre le monde des idées et le monde phy-sique, zahirs, ou alephs, constituant pour l’esprit des clés, des liens entre ces deux mondes. Ils rendent accessibles, par la vue et par le toucher, des concepts éloignés de l’intuition première, ce qui est un des enjeux de la diffusion des connaissances et de l’enseignement. Dans ce livre, Roger Mansuy vous initiera à la notion de courbure en tombant amoureux des formes sensuelles de la surface de Kuen, François Lê vous fera voir sur des droites se cachant au cœur des surfaces cu-biques, Aurélien Alvarez vous plongera dans l’univers des nombres complexes.

L’esprit peut alors prendre son envol et se permettre de visualiser des objets qui n’ont pas droit de cité dans notre espace ordinaire à 3 dimensions. Irène Polo-Blanco nous montrera comment se représenter la quatrième dimension. François Apéry va encore plus loin : il se fait magicien pour faire passer l’intérieur d’une sphère à l’extérieur. Rien ne semble impossible à l’esprit qui a aiguisé son agilité.

Les développements des sciences numériques offrent de nouvelles méthodes de visualisation. Un ordinateur peut représenter des familles de surfaces, changer

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en temps réel les paramètres et ainsi rendre dynamique le lien entre des objets d’une même famille. On peut alors comprendre les métamorphoses et révéler des liens entre des formes en apparence très différentes, passer de la photographie au cinéma, du squelette à la théorie de l’évolution. On peut chercher presque par jeu à imiter la nature en apprenti sorcier des équations. C’est ce qu’Andreas Matt il-lustre en nous prouvant que même la petite cuillère a son équation. Et pour conti-nuer avec de plus tangibles manifestations numériques, l’impression 3D permet de tisser un lien avec les modèles physiques, comme l’expliquent Saul Schleimer et Henry Segerman.

La collection des modèles a des petits airs de musée d’histoire naturelle. On y reconnaît une corne, des cristaux, des ruches, des colliers africains. Ce n’est pas étonnant. Ces objets sont souvent le résultat d’un processus physique ou chimique reposant sur un phénomène de croissance, l’optimisation d’un échange de chaleur ou de matière. Ces phénomènes sont mathématisables et l’émergence de ces formes révèle la structure mathématique sous-jacente, qui aurait fait le bonheur d’un Pythagore, d’un Galilée ou d’un D’Arcy Thompson. Ainsi, David Rowe nous explique le rôle des quartiques dans la compréhension de la propaga-tion de la lumière ; Denis Savoie se penche sur le cône d’Apollonius pour nous révéler l’importance des coniques dans la compréhension des mouvements pla-nétaires ; Christine Dézarnaud Dandine nous renvoie aux découpages de notre enfance pour construire d’indémodables polyèdres en carton. Les plus réguliers, les fameux cinq polyèdres de Platon, ont hanté la philosophie depuis l’Antiquité, l’harmonie des sphères jusqu’à Kepler et se retrouvent dans notre compréhension des cristaux. La mathématique est-elle seulement un outil utile pour décrire le monde ou, comme le chuchotent les modèles, la soie des fils qui tissent la réalité ?

Les formes du monde physique sont cependant imparfaites, présentant des ac-cidents de croissance, de l’usure, des déformations. Toutes les cornes d’impalas mâles se ressemblent mais offrent des variations dues à ces accidents. Il en est de même des modèles. Suffisamment juste pour rendre compte d’une propriété ma-thématique, mais toujours un peu faux, ils nous rappellent l’écart entre l’imper-fection du monde physique et la perfection apollinienne du monde mathématique.

La matière, par ses blessures, se refuse à n’être qu’une idée parfaite. Cet équi-libre entre perfection et imperfection crée une dimension et une tension artis-tiques. Les modèles mathématiques suscitent ainsi admiration et étonnement. Pour qui ne l’a jamais éprouvé, ils peuvent illustrer le ravissement esthétique que mathématiciens et physiciens ressentent devant certaines de leurs théories ou de leurs équations. Les plus sensibles pourront leur adresser le fameux vers de Lamartine, « Objets inanimés, avez-vous donc une âme, qui s’attache à notre âme et la force d’aimer ? » Ces objets nous parlent, que l’on sache ce qu’ils représentent ou non.

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Ils nous touchent. Le hasard de l’histoire veut qu’ils aient aussi touché quelques grands artistes, errant en recherche d’inspiration dans notre institut. Les grandes rencontres ont souvent lieu dans les bibliothèques, entre une encyclopédie et un miroir. Ce fut, comme nous le racontent Edouard Sebline et Andrew Strauss, le cas de Man Ray, puis de Max Ernst, qui adoptèrent les modèles comme les leurs. Où se trouve la limite entre un objet pédagogique, un objet de science et un ob-jet d’art ? Probablement dans la bienveillance du regard que l’on pose sur lui. Le regard peut se laisse tromper. Ainsi, Man Ray a-t-il été plus séduit par un socle sans la moindre prétention mathématique, que par les cyclides paraboliques qu’il maintenait. Comme anobli par l’artiste, le socle a longtemps été exposé seul, nim-bé de mystère…

Bien d’autres artistes se sont efforcés d’insuffler une nouvelle dimension à ces objets intemporels. Eva Migirdicyan nous emmène à la rencontre d’Antoine Pevsner et de Naoum Gabo, Raphael Zarka à celle de la famille Schoenflies. Anna Rewakowicz propose sa vision des surfaces réglées et Jean-Marc Chomaz révèle la dimension poétique des surfaces minimales et des bulles. Et quand il faut les res-taurer, panser les blessures du temps, se pose de nouveau la question du statut de leur nature, artistique ou mathématique. C’est ainsi que Frédérique Vincent est entrée dans l’intimité de certains modèles. Elle partage avec nous ses réflexions sur leur conservation préventive. Voyageant de plus en plus, d’exposition en ex-position, les modèles ont eu quelques accidents.

Les lectures des modèles sont nombreuses. Vous pouvez aimer les mathéma-tiques, la philosophie ou l’histoire des sciences, l’astronomie ou la cristallogra-phie, l’architecture ou les arts premiers. Laissez-vous happer par la faille que ces objets inattendus ouvrent entre la réalité et l’imaginaire, et trouvez dans cet ou-vrage un point d’entrée et une cause de surprise. Aucun lecteur, aucune lectrice ne comprendra tout. C’est heureux car le mystère est souvent source d’attrait. Nous espérons que ces invitations vous inciteront à visiter notre Bibliothèque et à vous y perdre.

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À l’origine, il y a la géométrie descriptive

Commencer à la fin du xviiie siècle avec Gaspard Monge est un point de départ légitime. C’est lui l’inventeur de la géométrie descriptive, autrement dit de la représentation des figures de l’espace à l’aide de deux projections orthogonales planes. Plus précisément, l’un des plans est baptisé vertical, l’autre horizontal, et il faut les imaginer articulés autour d’une droite horizontale appelée « ligne de terre », de manière à les faire apparaître sur une même feuille de papier où les deux projections d’un même point sont sur une droite perpendiculaire à la ligne de terre. Les deux projections ainsi que les lignes de construction dessinées sur cette feuille constituent l’épure.

Le besoin de voir les constructions imaginées par l’esprit a précédé les premières figures tracées par les géomètres de l’Antiquité. De ce point de vue, la géométrie descriptive est un aboutissement. Ce fut également un commencement, car si le besoin de toucher a amené très tôt la production de modèles physiques d’objets abstraits, la réalisation pratique s’est avérée délicate en l’absence d’une théorie géométrique de la représentation des objets de l’espace venant clarifier et unifier une multitude de méthodes empiriques utilisées jusqu’alors par les architectes, les charpentiers, les tailleurs de pierre et même les artistes. Cette théorie, c’est la géométrie descriptive.

La collection

La collection de modèles de l’Institut Henri Poincaré1, forte d’environ 600 modèles, s’est contruite sur un siècle et demi

et trouve son origine principalement dans trois sources : Muret, Caron et Brill. Relater quelques traits saillants de cette

entreprise scientifique, pédagogique et culturelle, qui fut imprégnée par les avancées technologiques propres à

chaque époque, voilà le but poursuivi dans ces lignes.

François Apéry

1. La Collection en abrégédans la suite.

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Citons un exemple emblématique et classique tiré de la stéréotomie : la taille du limon d’un escalier en vis à jour à noyau vide inscrit dans une cage rectangulaire. Le limon est la pièce d’appui sur laquelle repose la marche du côté du noyau central appelé « cylindre de jour ». L’escalier est inscrit dans un cylindre à base rectangulaire, l’encagement, et serpente autour du cylindre de jour, dont la base est la « courbe de jour ». Le marcheur idéal gravit l’escalier en parcourant une courbe hélicoïdale dont la projection horizontale est une ellipse, appelée « ligne de foulée ». Le marcheur appuie sa main gauche sur la rambarde qui matérialise le cylindre de jour, de sorte que celle-ci est à distance constante du marcheur, avec cette conséquence que la ligne de jour est une courbe parallèle à la ligne de foulée : ce n’est donc pas une ellipse, mais une développante de la développée de l’ellipse.

On voit par là que la rambarde est une courbe délicate à tracer, et que surtout les pièces de limon sont bordées par des surfaces dont la découpe poserait de sérieuses difficultés en l’absence d’une épure précise.

Le catalogue Muret

C’est dans cet esprit que sont fabriqués à Paris des modèles en plâtredestinés à l’enseignement du dessin d’art, du dessin industriel, du dessin d’architecture, du dessin géométrique et en définitive, de la géométrie tout court. En 1870, le catalogue de Charles Muret rassemble environ 600 pièces en plâtre

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dont la fabrication avait été initiée par Libre Bardin vers 1860, et comprend, outre des objets spécifiquement destinés à l’architecture, des modèles purement géométriques comme des polyèdres, des quadriques, des cyclides, des hélicoïdes et diverses intersections de tels solides.

Ce sont ces objets mathématiques qui ont intéressé les géomètres et qui, après avoir été acquis par la Sorbonne vers 1880 et rassemblés au cabinet de mathématiques (figure 1), constituent encore aujourd’hui, malgré toutes les blessures d’une existence agitée, l’une des trois sources de la Collection.

Prenons le cas du modèle numéroté 216 dans le catalogue Muret (figure 2), qui montre la réunion d’un tore et d’une sphère et qui figure dans la Collection.

La partie sphérique est en fait réduite à un hémisphère posé sur une base que l’on imagine prolongée en une colonne cylindrique. Quant à la partie torique, elle semble encastrée au sommet de la colonne à la manière d’un anneau d’amarrage. Voilà pour l’architecture. Pour la géométrie, la question prend une autre signification lorsqu’on observe que les dimensions et positions respectives du tore et de la sphère sont choisies de telle sorte que l’intersection se décompose en deux cercles. Il s’agit des cercles d’Yvon Villarceau qui sont à la fois cosphériques et sur un plan bitangent au tore. C’est cette propriété qui intéresse le géomètre, notamment parce qu’elle se généralise aux cyclides de Dupin, images du tore par inversion, d’où la présence des cyclides dans le catalogue Muret et dans la Collection. Au demeurant, on y trouve plusieurs modèles conçus pour rendre visuellement évidente cette propriété des cercles d’Yvon Villarceau (figure 3).

Il y a eu un petit mystère amusant, aujourd’hui résolu, soulevé par une peinture à l’huile de 1948 intitulée Twelfth Night2. On y voit plusieurs objets de la Collection dont Man Ray avait pris des photographies en 1935. Parmi ceux-ci, il y en a un qui appartient au catalogue Muret, et qui s’intègre donc tout naturellement ici (figure 4 à gauche).

Sollicité pour fournir l’explication de cet objet étrange, j’ai honteusement séché jusqu’à ce que le responsable de la collection de la Technische Universität de Munich, possédant le même objet, fournisse finalement la réponse : il ne s’agit

2. Voir Grossman et al., 2015.

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pas d’un objet mathématique mais seulement du support de deux morceaux de cyclides paraboliques en croissant (figure 4 à droite). Il se trouve que Man Ray a ôté les cyclides pour faire sa photographie, et sans doute omis de les remettre en place. Personne ne s’en était préoccupé pendant 80 ans.

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Les modèles de Caron

À la fin du xixe siècle, Joseph Caron est l’un des maîtres de la géométrie descriptive. Ancien élève de l’École normale supérieure, il a enseigné la géométrie descriptive dans divers lycées parisiens avant de prendre le poste de directeur des travaux graphiques à l’ENS en 1872. C’est précisément la date à laquelle Gaston Darboux, responsable du cabinet de mathématiques de la Sorbonne, y commence son enseignement de géométrie. Les travaux graphiques consistent à donner des épures aux élèves. La figure 5 montre cette fameuse épure qui fit souffrir le jeune Henri Lebesgue :

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C’était en 1897, j’étais alors élève de troisième année à l’École normale et notre chef de travaux graphiques, Joseph Caron, dont j’ai plaisir à citer le nom ici, nous avait proposé une épure fort difficile. Il s’agissait de l’intersection de deux tores placés de telle manière que, pour trouver un point quelconque de l’intersection, on utilisait les sections de ces surfaces par certaines sphères bitangentes à chacune d’elles3.

La collection de la Sorbonne est alors bien pratique pour illustrer le résultat par un modèle physique, pourvu qu’il existe. Or précisément, les exercices tirés des leçons de Darboux sur les surfaces qui servent de base aux épures proposées par Caron, sont originaux, les modèles sont donc absents. C’est ainsi que Caron se lance dans la fabrication de modèles à partir du début du xxe siècle4, et produit, jusqu’au début de l’année 1915 (on comprend pourquoi cette date marque un arrêt brutal), plus d’une centaine d’objets en bois, en carton ou en fil de fer, constituant la deuxième source de la Collection.

D’abord un modèle en carton de 1912 (figure 6). Prenons ce théorème de géométrie sphérique :

Étant donné trois cercles tracés sur la sphère, il y a au plus huit cercles qui leur sont tangents.

3. Lebesgue, 1950.

4. À propos du rôle dela réforme de 1902, voir l’article de F. Brechenmacherdans ce volume, p. 32.

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Le modèle illustre le cas où le maximum est atteint. Chaque cercle est à l’intersection de la sphère avec un cône dont le sommet est au centre de la sphère. Le modèle est donc constitué de onze cônes de couleurs différentes, du moins l’étaient-ils à l’origine.

Caron ne s’est d’ailleurs pas contenté de ce modèle en carton qui semble une esquisse en vue d’un modèle en fil de fer où les cônes, qui n’étaient que des artéfacts, disparaissent. La Collection comprend trois modèles différents où les huit cercles tangents à trois cercles cosphériques sont maintenus par des soudures aux points de contacts (figure 7).

Il y a une série de modèles de surfaces algébriques du quatrième degré réalisés vers 1913. Parmi elles figurent des surfaces déjà présentes dans les collections allemandes, les surfaces de Kummer notamment. Mais également des objets originaux comme les quatre surfaces suivantes. La première admet neuf points doubles réels et a pour équation :

y4 + y2(2x2 + 12x – z2 + 4) + x4 – 4x3 – x2(z2 – 4) + z4/2 + 5z2 – 1 = 0

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On trouve ensuite une surface du quatrième degré à une pointe d’équation (figure 8) :

y4 + y2(2x2 + 3x + 2z2 + z) + x4 – x3 – x2(2z2 + z) + z(z – 1)3 = 0

Et puis, il y a encore une énigme soulevée par une autre photographie prise par Man Ray à l’IHP (figure 9). On y voit deux modèles en bois dont seul celui de gauche a été conservé. Celui de droite a disparu. J’imagine assez bien le fantôme scrogneugneu de Paul Belgodère rédigeant d’une plume bougonne une harangue pressante de ce style : Si quelqu’un, par inadvertance, a pu oublier l’objet en bois à quatre pointes et à symétrie tétraèdrale dans son bureau, pourrait-il être assez gentil pour déposer, même anonymement, dans la boîte aux lettres de l’IHP, à défaut du modèle lui-même, une copie, même mal écrite, de l’équation figurant sur l’étiquette.

Si d’aventure elle fut écrite et placardée dans les couloirs, elle ne reçut aucune réponse puisque la seule mention qu’on trouve dans le catalogue Maillard et Belgodère de 1950 indique :

Surface du quatrième degré ? (voir équation)5. 5. Beldoguère et Maillard, 1950.

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Elle devrait appartenir à la série des surfaces de Kummer, et l’on a compris que la fléchette émoussée que j’ai décochée contre la figure tutélaire qui régnait jadis sur la Collection n’était qu’une supplique déguisée. En attendant voici une proposition dont la représentation graphique m’a paru approchante :

3(x2 + y2 + z2 + 1)2 – 41,6 · xyz – 4 = 0

Dans le même ordre d’idées, il y a cette autre surface, également disparue, mentionnée par Maillard et Belgodère sous l’indication

Surface du quatrième degré, quatre pointes

Comme la précédente, elle figure sur une photographie de Man Ray (figure 10), et ma proposition d’équation est la suivante :

9(x2 + y2)2 + 6(4 + 3z) x (3y2 – x2) + (4 + 3z)2 (x2 + y2) – z (8 – z)3 = 0

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Institut Henri PoincaréBibliothèque – 1er étage

Entrée libreDu lundi au vendredi de 9 h à 18 h

11, rue Pierre-et-Marie-Curie75005 Paris

01 44 27 66 52bibli-accueil@ihp.fr

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